燃料電池DC/DC變換器的溫度試驗箱控制器設計

陳星星,王萬通,范子春,阮觀強,仝 光

(1.上海電機學院機械學院,上海 201306;2.上海迦銳自動化檢測科技有限公司,上海 201802)

0 引言

隨著新能源汽車的高速發(fā)展,越來越多的汽車電氣零部件需要進行環(huán)境溫度試驗,驗證其各項性能指標[1-2]。然而,目前市面上進行環(huán)境溫度檢測的試驗箱大多數是標準試驗箱,控制器基本采用PLC[3]。由于標準試驗箱的普遍通用性和在功能需求上受模塊化的PLC限制,在面對特定的如燃料電池電動汽車DC/DC變換器環(huán)境溫度檢測時,所需的高溫、低溫和升降溫速率很難完全滿足要求。且隨著對PLC控制器功能需求的增加,其擴展模塊導致整體控制器體積大,價格昂貴。

針對以上問題,結合燃料電池電動汽車DC/DC變換器溫度檢測要求,開發(fā)了一種應用于非標試驗箱的單片機溫度控制器。該控制器整體體積小、成本低、控制精度高,穩(wěn)定性好。軟件控制上采用分段PID,與傳統(tǒng)固定PID對比發(fā)現,分段PID在溫度控制上具有更好的魯棒性,能夠滿足變換器溫度試驗的要求,具有一定的工程實用價值。

1 控制器硬件設計

1.1 硬件系統(tǒng)設計與原理

由于溫度傳感器實時采集箱內溫度,需要控制器具有較強的運算能力,且考慮到需要大量I/O等因素,在滿足要求的情況下選用STM32F207ZET6作為主控芯片。除了單片機最小系統(tǒng)外,相應外圍硬件電路包括溫度傳感器采集電路、固態(tài)繼電器和電子膨脹閥驅動電路、繼電器輸出和光電隔離數字輸入電路、人機交互電路等。其硬件系統(tǒng)設計如圖1所示。

圖1 控制器硬件系統(tǒng)設計

溫度控制主要原理:首先,控制工控機產生目標溫度,通過RS232串口將目標溫度發(fā)給單片機,然后將傳感器獲取的箱內實時模擬溫度信號進行采集放大,送至單片機自帶的模數轉換器(ADC)中。轉換為數字量的實際溫度與目標溫度進行比較,通過分段PID算法選擇不同的PID參數。最后輸出PWM波控制固態(tài)繼電器或電子膨脹閥。其中溫度穩(wěn)定的關鍵電路包括溫度采集、電子膨脹閥驅動和固態(tài)繼電器驅動3部分。

1.2 溫度采集電路設計

T/CAAMTB 14—2020《燃料電池電動汽車用DC/DC變換器》要求環(huán)境溫度試驗時試驗箱溫度寬度最低在-40～85 ℃范圍內,試驗箱選用的溫度傳感器測溫范圍為-80～200 ℃的三線制A級Pt100熱電阻。Pt100溫度與電阻關系近似線性變化,溫度每改變1 ℃,電阻值約改變0.385 Ω。為了保證傳感器的線電阻和接觸電阻不影響實際電阻值,電路采用惠斯登電橋精確測量Pt100阻值變化[4]。溫度采集電路如圖2所示,R4、R5、R12和Pt100構成惠斯登電橋。U3C和U3D為電壓跟隨器,使電橋電壓信號前后端相互不受輸入輸出阻抗的影響。U3A為差分放大電路,放大倍數為電阻R6與R7的比值。輸出端經穩(wěn)壓二極管D1和采樣保持電容C5后送入單片機自帶的AD引腳。通過ADC得出此時電橋兩端電壓值,進而算出Pt100阻值,最后根據電阻與溫度關系得出實際溫度。

1.3 電子膨脹閥驅動電路設計

試驗箱制冷系統(tǒng)通過壓縮機壓縮制冷劑形成制冷循環(huán),而電子膨脹閥能自動調節(jié)制冷劑流量,確保制冷系統(tǒng)能夠始終維持最佳運行工況,是實現制冷系統(tǒng)優(yōu)化調節(jié)的關鍵部件[5-6]。由于電子膨脹閥的驅動部件是脈沖步進電機,故驅動模塊采用專為其而設計的L6206PD芯片。該芯片可驅動四線雙極性步進電機,根據其輸入端脈沖的個數及頻率控制電子膨脹閥旋轉的角度及速度。從圖3中可以看出,芯片4個輸入端IA1、IA2、IB1、IB2與單片機PWM輸出端口間通過TLP521-4進行電氣隔離,且芯片使能輸入端受單片機EN-A引腳高低電平控制。輸出端A+、A-、B+、B-根據2組輸入端高低電平的不同控制步進電機定子磁場方向,進而達到指定旋轉步距角,實現對電子膨脹閥的精確控制。

圖3 電子膨脹閥驅動電路

1.4 固態(tài)繼電器驅動電路設計

試驗箱主要采用加熱絲作為熱源,通過固態(tài)繼電器控制加熱絲上流過電流的時間,從而控制試驗箱內的熱量。驅動電路采用光耦加三極管,其電路如圖4所示。當單片機輸出DO0為低電平時,光耦輸出RC0為高電平接入三極管基級,驅動Q1導通,使固態(tài)繼電器導通,加熱絲回路接通電源。當單片機輸出DO0為高電平時,三極管Q1斷開,使固態(tài)繼電器關斷,加熱絲回路斷開電源。

圖4 固態(tài)繼電器驅動電路

2 溫度控制算法設計

PID控制是溫度控制器應用最廣泛的方法之一,具有結構簡單、易于實現的特點。應用于線性時不變控制系統(tǒng)時能夠表現出良好的控制性能[7]。PID控制結構如圖5所示。

圖5 PID控制結構原理圖

PID控制器以實際輸入和輸出的誤差作為輸入量,其輸入與輸出的關系見式(1):

(1)

式中:U(t)為控制器的輸出值;E(t)為設定的目標值和實際輸出值間的誤差;KP、KI、KD分別表示為比例、積分、微分系數。

實際的試驗箱溫度系統(tǒng)具有時變性和非線性等特點,如果將傳統(tǒng)PID控制算法應用于溫度控制器中,在溫度穩(wěn)定和抗干擾上將很難滿足試驗要求。傳統(tǒng)PID控制器的參數大多數為定值,無法實現參數自整定。對已經確定的控制參數,當控制系統(tǒng)隨著時間變化和擾動后,控制性能可能會發(fā)生改變,無法維持原先設定的控制效果,最終使系統(tǒng)自適應能力降低。為了增強控制器的自適應性能力,采用能夠實現參數自整定的分段PID算法,其結構如圖6所示。

圖6 分段PID結構原理圖

首先根據E(t)的大小,在分段庫中找到其對應的分段區(qū)間,然后讀取此區(qū)間所設定的PID參數,最終輸出給PID控制器,整體實現了溫度分段PID控制。分段PID核心是分段區(qū)間的選取,分段區(qū)間劃分是為了在不同溫度誤差范圍內改變控制參數,讓系統(tǒng)具有較快響應速度的同時還保持較小的超調量和穩(wěn)態(tài)誤差,使系統(tǒng)具有自適應性。分段PID參數選取流程圖如圖7所示。首先算出目標溫度與實際溫度差,將分段溫度設定為由小到大,然后將溫度差與所設定的最小分段溫度比較,若小于當前分段溫度,則讀取相應PID參數,反之進入下一個分段溫度。若溫度差過大,大于當前所有分段溫度,則執(zhí)行最大分段溫度所對應的PID參數[8]。

圖7 分段PID參數選取流程圖

各個分段區(qū)間中的PID參數整定采用試湊法,參數整定實行先比例后積分再微分的步驟:

(1)首先整定比例部分,將比例系數KP由小變大,通過顯示器觀察溫度響應曲線,直到響應曲線有較快的上升速度、較小的超調量和穩(wěn)態(tài)誤差;

(2)純比例調節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差一般不能滿足要求,此時加入積分調節(jié)。首先將積分系數KI設為較大值,同時對第1步整定得到的比例系數KP適當減小,然后慢慢減小積分系數,直到穩(wěn)態(tài)誤差在可接受的范圍內。

(3)若響應曲線整體動態(tài)性能較差,如超調量可能過大,不能滿足試驗要求,此時加入微分系數KD。整定時將KD由0逐漸變大,并相應的改變KP和KI,多次試湊,直到滿足試驗需求。

(4)由于系統(tǒng)響應性能指標間的相互關系,當變化其中某一個PID參數,不同性能指標會發(fā)生變化。因此根據系統(tǒng)響應性能趨勢劃分合適的分段區(qū)間,在不同區(qū)間根據上述3個步驟設置最優(yōu)PID參數,最終實現分段PID參數自整定。

3 仿真分析

為驗證固定PID和分段PID在溫度試驗箱上的控制效果,利用Simulink仿真軟件對2種控制算法進行仿真測試。由于高低溫試驗箱輸出對輸入響應的變化規(guī)律和一階滯后系統(tǒng)階躍響應曲線相似,所以試驗箱傳遞函數模型G(s)可以等效為

(2)

將固定PID算法應用于式(2)系統(tǒng),仿真如圖8所示。初始溫度都為0 ℃,當目標溫度設定值為50 ℃時,上升時間為350 s,峰值溫度為53.5 ℃,超調量為7%;當目標溫度設定值為90 ℃時,上升時間為370 s,峰值為96.8 ℃,超調量為7.6%。由此可見,上升時間和超調量的值會隨著設定目標溫度值的增大而增大。仿真測試證實了固定PID隨試驗箱溫度工況的改變,其控制精度和穩(wěn)定性都會下降。

圖8 固定PID目標溫度變化仿真

分段PID和固定PID 2種算法應用于試驗箱溫度控制的仿真對比如圖9所示。目標溫度設定值為50 ℃時,由于一開始實際溫度與目標溫度過大,分段取得較大的KP,與固定PID相比,上升時間略快。隨著溫度的上升,固定PID峰值溫度為56 ℃,而分段PID峰值溫度為54 ℃,超調量減少4%。由此可見,通過分段PID控制試驗箱能明顯減少溫度上升時間、峰值時間以及超調量。

圖9 分段PID和固定PID仿真

4 試驗平臺與結果分析

4.1 試驗平臺

測試選用的燃料電池電動汽車DC/DC變換器實物如圖10所示。溫度試驗箱控制器實物如圖11所示。

圖10 燃料電池DC/DC變換器

圖11 溫度試驗箱控制器

將控制器裝于所適配的非標溫度試驗箱平臺,其主要參數與型號如表1所示。

表1 試驗箱主要參數

該試驗箱的容積為252 L,箱體背后配電盤由控制器、工控機、溫控表和各種保護開關等模塊構成。試驗箱加熱采用加熱絲,制冷采用覆疊式制冷系統(tǒng)。加熱升溫主要依靠循環(huán)風扇所產生的空氣對流,帶走通電加熱絲產生的熱量,進入箱內,實現箱內升溫。制冷降溫主要通過活塞壓縮機、蒸發(fā)器、電子膨脹閥和冷凝器組成的制冷循環(huán)。由于DC/DC變換器試驗溫度為-40 ℃,單級制冷很難達到,所以采用覆疊式制冷系統(tǒng)使箱內溫度達到-40 ℃[9]。其中高溫部分制冷劑采用R404A,低溫部分制冷劑采用R23。

4.2 試驗結果與分析

通過工控機將完整的控制代碼寫入控制器中,在顯示器及溫控表上查看溫度傳感器信號是否采集正常,實現控制器軟硬件聯合調試。最后將變換器放入試驗箱中,圖12為分段PID和固定PID控制器在全功率加熱下對比試驗。軟件設計的加熱分段區(qū)間最高為3 ℃且只有KD隨分段變化。當試驗箱從常溫開始加熱,目標溫度為變換器高溫試驗85 ℃,在82 ℃之前2種算法溫度上升基本相同。隨著溫度越來越接近目標溫度,固定PID峰值溫度為86.3 ℃,而分段PID的峰值溫度為86 ℃。因KD的分段改變,可以看出在超調量上分段PID優(yōu)于固定PID。溫度維持穩(wěn)定后,溫度波動≤±0.1 ℃。

圖12 分段PID和固定PID對比試驗

按照GB/T 2423.1—2008的規(guī)定,在進行變換器高低溫試驗時,要求試驗箱以接近1 ℃/min斜率升溫和降溫,圖13為分段PID控制器下變換器斜率升溫試驗曲線。由圖13(a)可知,從13 ℃開始升溫,到85 ℃用時接近4 600 s,升溫速率近似滿足1 ℃/min。圖13(b)是截取圖13(a)中快達到目標溫度時的局部放大圖,與圖12對比發(fā)現,斜率升溫模式下峰值溫度只有85.24 ℃,這是因為1 ℃/min升溫速率使加熱絲平均占空比在30%左右,而全功率運行下加熱絲接近目標溫度時占空比才開始逐漸下降,導致超調量較大。最終穩(wěn)態(tài)溫度波動和全功率運行一樣≤±0.1 ℃,達到高溫試驗2 ℃以內要求。圖14為分段PID控制器下變換器斜率降溫曲線,從11.43 ℃開始降溫,到-40 ℃用時接近3 060 s,降溫速率滿足1 ℃/min,且最終穩(wěn)態(tài)溫度波動也≤±0.1 ℃,同理滿足低溫試驗要求。

(a)斜率升溫全過程

圖14 斜率降溫試驗

5 結束語

本文基于單片機設計了一種應用于燃料電池電動汽車DC/DC變換器環(huán)境試驗的溫度控制器。該控制器裝配于非標溫度試驗箱,能夠對固態(tài)繼電器和電子膨脹閥進行開度控制?？刂扑惴ㄉ蠈⒎侄蜳ID與固定PID進行對比,選用了魯棒性更好的分段PID算法?？刂破髡w體積小、成本低、控制精度高,解決了標準試驗箱上PLC控制器價格高、體積大、在變換器檢測上受模塊化功能限制等問題。實驗表明,控制器能夠滿足燃料電池電動汽車DC/DC變換器環(huán)境溫度檢測要求,具有一定的工程實用價值。